Цифровой измеритель ёмкости. ESR метр своими руками — измеритель емкости конденсаторов

Мастера, ремонтирующие радиоаппаратуру, чаще всего сталкиваются с пробоем конденсаторов либо со снижением емкости. Чтобы узнать, исправна деталь или нет, надо измерить емкость конденсатора. Для этого существуют различные приборы.

Устройство и характеристики конденсатора

Конденсатор содержит две обкладки из металла, между которыми помещается диэлектрик. Для диэлектрика используются воздух, пластик, слюда, картон, керамические материалы.

В более современных деталях вместо металла применяется фольга, которую сворачивают в рулоны. Таким образом, при меньших габаритах конденсатора можно повысить его емкость.

Конденсаторы классифицируются по диэлектрическому материалу, способам монтажа, форме обкладок и т. д. По полярности они делятся на:

электролитические, или оксидные, обладающие полярностью;
неполярные.

Электролитические конденсаторные элементы требуют обязательного соблюдения полярности при включении. Диэлектриком в них служит оксидный слой, формирующийся на танталовом (алюминиевом) аноде. Катод – электролит в виде жидкости или геля. Измерение емкости конденсатора такого типа должно проводиться, учитывая маркировку полюсов детали.

Основное свойство конденсатора – накопление электрического заряда, благодаря которому он широко используется в различных фильтрах. С его помощью можно передавать сигнал между каскадами усиления, разделять высокие и низкие частоты и т.д.

Параметры конденсатора:

Емкость. Способность к накоплению заряда, зависящая от площади обкладок, расстояния между ними, характера применяемого материала в качестве электролита. Измеряется в фарадах;
Номинальное напряжение. Показывает, при каком напряжении возможна длительная и стабильная работа элемента. Если параметр превышается, может наступить пробой.

Возможные неисправности конденсатора

Различают несколько видов неисправностей конденсаторов, влияющих на работу электрической схемы:

полный пробой (замыкание между обкладками);
нарушение внешней герметичности от механических повреждений;
уменьшение емкости;
возрастание внутреннего сопротивления;
уменьшение напряжения, при котором наступает обратимый пробой элемента.

В большинстве случаев детали выходят из строя по причине продолжительной работы в условиях перегрева. Всегда важно обеспечить оптимальный режим температур для работы аппаратуры.

Как проверить исправность конденсатора

На первом этапе надо сделать визуальный осмотр детали на наличие механических повреждений, деформации корпуса, изменения цвета. У электролитических элементов это разбухание в верхней части, которое может быть небольшим, но заметным в сравнении с исправными аналогами. Зачастую деталь внешне выглядит нормально. Тогда для ее проверки потребуются специальные приборы:

мультиметр, в котором реализована функция измерения емкости;
специальный измеритель емкости конденсаторов;
LC-метр;
прибор ESR.

Используя мультиметр, иногда трудно сделать вывод о неисправности, так как емкость поврежденного конденсаторного элемента снижается на очень малые величины. С помощью LC-метров или специальных приборов определить ее значение можно точнее. Для измерений емкости электролитических конденсаторов служат приборы ESR. Причем замеры производятся без выпаивания деталей из схемы.

Если нет специального прибора, то емкостные замеры неполярных элементов можно производить мультиметром, измеряющим сопротивление. При этом они выпаиваются из платы.

На шкале мультиметра установить предел «200 кОм». Предел шкалы меняется в зависимости от номинального емкостного значения;
Разрядить выпаянные конденсаторные элементы, так как может существовать остаточный заряд. Разряд производится замыканием их выводов накоротко;
Щупы прибора подключить к конденсаторным выводам и наблюдать за его показаниями. Стараться не прикасаться к контактной части щупов руками.

Появившееся на экране значение сопротивления будет постепенно увеличиваться, а затем покажет «1», на цифровом приборе означающую «бесконечность». У конденсаторов с малой емкостью процесс изменения сопротивления ускорен так, что можно его не зафиксировать.

Важно! Исправный заряженный конденсаторный элемент обладает «бесконечным» сопротивлением.

Если деталь неисправна, сразу, без предшествующего нарастания, будут видны значения «1», указывающие на обрыв внутри детали, или «0» – внутреннее КЗ. Плавное нарастание сопротивления наблюдается из-за зарядки детали от батареи мультиметра.

Можно применить для емкостных замеров и старые аналоговые тестеры. При этом наблюдения ведутся за движениями стрелки. Она должна сразу отклониться вправо со скоростью, зависящей от конденсаторной емкости, продолжая свое медленное движение до пределов шкалы. Если она не дергается или, отклонившись, останавливается, это говорит о повреждении. О том же сигнализирует резкий бросок до предельных цифр.

Важно! Проверке мультиметром можно подвергнуть конденсаторные элементы емкостью до 0,25 мкФ. Для меньших параметров проверка ведется на LC-метрах.

Измерение фактических емкостных значений

Вышеописанным способом невозможно определить количественные емкостные значения, можно только сделать вывод об исправности конденсаторного элемента. По приборам, измеряющим емкость в фарадах, сразу определяется ее отклонение от номинального параметра. Нулевое значение говорит о пробое, сниженное – тоже сигнализирует о том, что деталь нужно заменить.

Опосредованно о величине емкости можно судить по скорости нарастания сопротивления в момент подключения к мультиметру. Чем она ниже, тем больше емкость. Можно подсчитать ее примерное значение, подключая исправные конденсаторные элементы с заранее известной емкостью и производя замеры времени в секундах, за которое сопротивление достигает «бесконечности». Вывод делается на основании сравнения с испытываемым конденсаторным элементом.

На лицевой панели мультиметра, предназначенного для емкостных замеров, существуют специальные входные разъемы СХ, промаркированные «плюсом» и «минусом». Вместо них могут присутствовать обыкновенные щупы. Для измерения конденсаторные элементы вставляются в эти разъемы с обязательным соблюдением полярности у электролитических деталей. Маркировка присутствует и на самих конденсаторах. Для неполярных элементов это не имеет значения. Предельное значение шкалы измеряемой емкости надо выставлять, исходя из конденсаторных параметров.

Важно! Перед подсоединением к прибору необходимо снять остаточный заряд с конденсатора.

Измерение прибором ESR

ESR означает эквивалентное последовательное сопротивление, параметр очень важный для электролитического конденсатора. Когда это сопротивление увеличивается, зарядный ток уменьшается, что вызывает сбои в работе электрической цепи. Причем емкость, измеренная традиционными способами, может не выходить из границ нормы. Особенно влияние эквивалентного сопротивления заметно у деталей емкостью больше 5 мкФ. Для стабильной работы параметр не должен превышать 1 Ом.

При проверке конденсаторных элементов без выпаивания из платы такой аппарат дает более точные результаты. Попытки аналогично замерить параметры детали мультиметром не дадут достоверной картины. Рядом с конденсатором существуют другие элементы: индуктивности, сопротивления и т.д., которые вносят искажающее влияние. Обычно делают вывод об исправности конденсаторного элемента с помощью косвенных измерений либо параллельно ему припаивают другой с идентичными характеристиками. Это возможно только в низковольтных цепях.

Снижение напряжения пробоя конденсатора

Мастерам-радиолюбителям может встретиться случай, когда все характеристики конденсатора в норме при замере мультиметром, но при работе в схеме наблюдаются признаки его пробоя. Это происходит при снижении напряжения пробоя ниже номинальной величины. Если деталь рассчитана на напряжение 25 В, а пробой наступает при 15 В, то при измерении мультиметром не будет выявлена неисправность конденсаторного элемента, так как пробой имеет обратимый характер.

Для определения такой неисправности надо использовать источник постоянного тока с возможностью регулировать уровень напряжения. Подключив к нему деталь и постепенно увеличивая подводимое напряжение, выясняется наличие повреждения, заметное по резкому возрастанию тока вплоть до срабатывания защитного отключения ИП.

Измерения конденсаторной емкости можно проводить разными способами. Просто обнаружить неисправный элемент можно омметром, более точные результаты получаются при использовании LC-метров и приборов ESR.

Видео

В этой статье приведено элементарную схему измерителя ёмкости на логической микросхеме. Такое классическое и элементарное схемотехническое решение достаточно быстро и просто можно воспроизвести. Потому данная статья будет полезна начинающему радиолюбителю, который задумал собрать себе элементарный измеритель ёмкости конденсатора.

Работа схемы измерителя ёмкости:

Рисунок №1 – Измеритель ёмкости схема

Перечень элементов измерителя ёмкости:

R1- R4 – 47 КОм

R5 – 1,1 КОм

C3 – 1500 пФ

C4 – 12000 пФ

C5 –0,1 мкФ

C изм. – конденсатор ёмкость которого вы хотите измерять

SА1 – галетный переключатель

DA1 – К155ЛА3 или SN7400

VD1-VD2– КД509 или аналог 1N903A

PA1 – Стрелочная индикаторная головка (ток полного отклонения 1 мА, сопротивление рамки 240 Ом)

XS1- XS2 – разъёмы типа «крокодил»

Такой вариант измерителя ёмкости конденсаторов имеет четыре диапазона, которые можно выбирать переключателем SA1. На пример в положении «1» можно промерять конденсаторы с ёмкостью 50 пФ, в положении «2» — до 500 пФ, в положении «3» — до 5000 пФ, в положении «4» — до 0,05 мкФ.

Элементы микросхемы DA1 обеспечивают достаточный ток для заряда измеряемого конденсатора (С изм.). Особенно важно для точности измерения, адекватно подобрать диоды VD1-VD2, они должны иметь одинаковые (наиболее похожие) характеристики.

Настройка схемы измерителя ёмкости:

Настроить такую схему достаточно просто, вам необходимо подключить С изм. с заведомо известными характеристиками (с известной ёмкостью). Выберите переключателем SА1 необходимый диапазон измерения и вращайте ручку построечного резистора до тех пор, пока не добьётесь нужного показания на индикаторной головке PA1 (рекомендую её проградуировать в соответствии с вашими показаниями, это можно сделать путём разбора индикаторной головки и наклеивания новой шкалы с новыми надписями)

Измеритель емкости конденсаторов своими руками — ниже представлена схема и описание как не прилагая больших усилий можно самостоятельно изготовить прибор для тестирования емкости конденсаторов. Такое устройство очень может пригодится при покупке емкостей на радиоэлектронном рынке. С его помощью без проблем выявляется некачественный или бракованный элемент накопления электрического заряда. Принципиальная схема данного ESRа, как его обычно называю большинство электронщиков, ничего сложного из себя не представляет и собрать такой аппарат может даже начинающий радиолюбитель.

Причем измеритель емкости конденсаторов не предполагает для его сборки длительного времени и больших денежных затрат, на изготовление пробника эквивалентного последовательного сопротивления уходит буквально два-три часа. Также не обязательно бежать в магазин радиотоваров — наверняка у любого радиолюбителя найдутся неиспользованные детали подходящие для этой конструкции. Все, что вам потребуется для повторения данной схемы — это мультиметр практически любой модели, только желательно, что бы был цифровой и с десяток деталей. Каких то переделок или модернизации цифрового тестера производить не нужно, все что необходимо с ним сделать — это припаять выводы деталей к необходимым площадкам на его плате.

Принципиальная схема устройства ESR:

Перечень элементов необходимых для сборки измерителя:

Один из главных компонентов прибора — это трансформатор, который должен иметь соотношением витков 11\1. Ферритовый кольцевой сердечник М2000НМ1-36 К10х6х3, который нужно предварительно обмотать изолирующим материалом. Затем намотать первичную обмотку на него, располагая витки по принципу — виток к витку, при этом заполняя всю окружность. Вторичную обмотку также необходимо выполнять с равномерным распределением по всему периметру. Примерное количество витков в первичной обмотки для кольца К10х6х3 будет 60-90 витков, а вторичка должна быть в одиннадцать раз меньше.

Диод D1 использовать можно практически любой кремневый с обратным напряжением не менее 40v, если вам не особо нужна супер точность в измерениях, то вполне подойдет КА220. Для более точного определения емкости придется поставить диод с небольшим падением напряжения в варианте прямого включения — Шоттки. Защитный супрессорный диод D2 должен быть рассчитан на обратное напряжение от 28v до 38v. Транзистор маломощный кремневый p-n-p проводимости: например КТ361 или его аналог.

Измерение величины ЭПС выполнять в диапазоне напряжения 20v. Во время подключении коннектора внешнего измерителя, ESR-приставка к мультиметру сразу же переходит в режим работы тестирования емкости. При этом будет визуально отображено на приборе показание около 35v в диапазоне проверки 200v и 1000v (это в зависимости от использования супрессорного диода). В случае исследования емкости на 20 вольтах, показание будет отображено как «выход за границу измерения». Когда коннектор внешнего измерителя отсоединяется, то и ЭПС-приставка моментально переключается на режим работы как обыкновенного мультиметра.

Заключение

Принцип работы устройства — для начала работы прибора нужно включить в сеть адаптер, при этом происходит включение измерителя ЭПС, когда отключили ESR, то мультиметр автоматически переходит в режим выполнения штатных функций. Чтобы сделать калибровку аппарата нужно подобрать постоянный резистор, так чтобы соответствовало шкале. Для наглядности картина ниже:

При замыкании щупов на шкале мультиметра будет отображено 0.00- 0.01, это показание означает погрешность прибора в диапазоне измерения до 1 Ом.

Обнаружив в интернете статью Digital Capacitance Meter , я захотел собрать этот измеритель. Однако под рукой не оказалось микроконтроллера AT90S2313 и светодиодных индикаторов с общим анодом. Зато были ATMEGA16 в DIP-корпусе и четырехразрядный семисегментный жидкокристаллический индикатор. Выводов микроконтроллера как раз хватало на то, чтобы подключить его к ЖКИ напрямую. Таким образом, измеритель упростился всего до одной микросхемы (на самом деле, есть и вторая – стабилизатор напряжения), одного транзистора, диода, горстки резисторов-конденсаторов, трех разъемов и кнопки.Прибор получился компактный и удобный в использовании. Теперь у меня нет вопросов о том, как измерить емкость конденсатора. Особенно это важно для SMD-конденсаторов с емкостями в несколько пикофарад (и даже в доли пикофарада), которые я всегда проверяю перед тем, как в паять в какую-нибудь плату. Сейчас выпускается множество настольных и портативных измерителей, производители которых заявляют о нижнем пределе измерений емкости в 0.1 пФ и достаточной точности измерений таких малых емкостей. Однако во многих из них измерения проводятся на довольно низкой частоте (единицы килогерц). Спрашивается, можно ли получить приемлемую точность измерений в таких условиях (даже если параллельно измеряемому подключить конденсатор большей емкости)? Кроме того, в интернете можно найти довольно много клонов схемы RLC-метра на микроконтолллере и операционном усилителе (той самой, что с электромагнитным реле и с одно- или двухстрочным ЖКИ). Однако такими приборами малые емкости померить «по-человечески» не удается. В отличие от многих других, этот измеритель специально спроектирован для измерения малых значений емкости.

Что касается измерения малых индуктивностей (единицы наногенри), то я для этого с успехом использую анализатор RigExpert AA-230 , который выпускает наша компания.

Фотография измерителя емкости:

Параметры измерителя емкости

Диапазон измерения: от 1 пФ до примерно 470 мкФ.
Пределы измерения: автоматическое переключение пределов – 0…56 нФ (нижний предел) и 56 нФ … 470 мкФ (верхний предел).
Индикация: три значащие цифры (две цифры для емкостей меньших, чем 10 пФ).
Управление: единственная кнопка для установки «нуля» и калибровки.
Калибровка: однократная, при помощи двух образцовых конденсаторов, 100 пФ и 100 нФ.

Большая часть выводов микроконтроллера подключена к ЖКИ. К некоторым из них также подключен разъем для внутрисхемного программирования микроконтроллера (ByteBlaster). Четыре вывода задействованы в схеме измерения емкости, включая входы компаратора AIN0 и AIN1, выход управления пределами измерения (при помощи транзистора) и выход выбора порогового напряжения. К единственному оставшемуся выводу микроконтроллера подключена кнопка.

Стабилизатор напряжения +5 В собран по традиционной схеме.

Индикатор – семисегментный, на 4 знака, с прямым подключением сегментов (т.е. не-мультиплексный). К сожалению, на ЖКИ не было маркировки. Такую же цоколевку и размеры (51×23 мм) имеют индикаторы многих фирм, например, AND и Varitronix.

Схема приведена ниже (на схеме не показан диод для защиты от «переполюсовки», через него рекомендуется подключить разъем питания):

Программа микроконтроллера

Поскольку ATMEGA16 – из серии «MEGA», а не из серии «tiny», особого смысла писать ассемблерную программу нет смысла. На языке Си удается сделать ее гораздо быстрей и проще, а приличный объем flash-памяти микроконтроллера позволяет пользоваться встроенной библиотекой функций с плавающей точкой при расчете емкости.

Микроконтроллер проводит измерение емкости за два шага. В первую очередь, определяется время заряда конденсатора через резистор сопротивлением 3.3 МОм (нижний предел). Если необходимое напряжение не достигнуто в течение 0.15 секунд (что соответствует емкости около 56 пФ), заряд конденсатора повторяется через резистор 3.3 кОм (верхний предел измерения).

При этом микроконтроллер сперва разряжает конденсатор через резистор сопротивлением 100 Ом, а затем заряжает его до напряжения 0.17 В. Только после этого замеряется время заряда до напряжения 2.5 В (половина напряжения питания). После этого, цикл измерения повторяется.

При выводе результата на выводы ЖКИ подается напряжение переменной полярности (относительно его общего провода) с частотой около 78 Гц. Достаточно высокая частота полностью устраняет мерцание индикатора.

С помощью данного измерителя ёмкости можно легко измерить любую ёмкость от единиц пФ до сотен мкФ. Существует несколько методов измерения емкости. В данном проекте используется интеграционный метод.

Главное преимущество использования этого метода в том, что измерение основано на измерении времени, что может быть выполнено на МК довольно точно. Этот метод очень подходит для самодельного измерителя ёмкости, к тому же он легко реализуем на микроконтроллере.

Принцип работы измерителя ёмкости

Явления, происходящие при изменении состояния схемы называются переходными процессами. Это одно из фундаментальных понятий цифровых схем. Когда ключ на рисунке 1 разомкнут, конденсатор заряжается через резистор R, и напряжение на нём изменятся как показано на рисунке 1b. Соотношение определяющее напряжение на конденсаторе имеет вид:

Величины выражены в СИ единицах, t секунды, R омы, C фарады. Время за которое напряжение на конденсаторе достигнет значения V C1 , приближенно выражается следующей формулой:

Из этой формулы следует, что время t1 пропорционально емкости конденсатора. Следовательно, ёмкость может быть вычислена из времени зарядки конденсатора.

Схема

Для измерения времени зарядки, достаточно компаратора и таймера микроконтроллера, и микросхемы цифровой логики. Вполне разумно использовать микроконтроллер AT90S2313 (современный аналог - ATtiny2313). Выход компаратора используется как триггер T C1 . Пороговое напряжение устанавливается резисторным делителем. Время зарядки не зависит от напряжения питания. Время зарядки определяется формулой 2, следовательно оно не зависит от напряжения питания т.к. соотношение в формуле VC 1 /E определяется только коэффициентом делителя. Конечно, вовремяизмерениянапряжениепитаниядолжнобытьпостоянно.

Формула 2 выражает время зарядки конденсатора от 0 вольт. Однако с напряжением близким к нулю сложно работать из-за следующих причин:

Напряжение не падает до 0 Вольт. Для полной разрядки конденсатора необходимо время. Это приведет к увеличению времен иизмерения.

Необходимо время между стартом зарядки и запуском таймера. Это вызовет погрешность измерения. Для AVRэто не критично т.к. на это необходим всего один такт.

Утечка тока на аналоговом входе. Согласно даташиту AVR, утечка тока возрастает при напряжении на входе близком к нулю вольт.

Для предотвращения данных сложностей использовано два пороговых напряжения VC 1 (0.17 Vcc) и VC 2 (0.5 Vcc). Поверхность печатной платы должна быть чистой для минимизации токов утечки. Необходимое напряжение питания микроконтроллера обеспечивается DC-DCпреобразователем,работающего от 1.5VAA батарейки. Вместо DC-DC преобразователя, желательно использовать 9 V батарейку и преобразователь 78 L 05, желательно также не выключать BOD , иначе могут возникнуть проблемы с EEPROM .

Калибровка

Для калибровки нижнего диапазона: С помощью кнопки SW1. Затем, соедините pin #1 и pin #3 на разъёме P1, вставьте конденсатор 1nF и нажмите SW1.

Для калибровки верхнего диапазона: Замкните pin #4 и #6 разъёма P1, вставьте конденсатор на 100nFи нажмите SW1.

Надпись "E4" при включении означает, что калибровочное значение в EEPROM не найдено.

Использование

Автоматическое определениедиапазона

Зарядка начинается через резистор 3.3М. Если напряжение на конденсаторе не достигнет 0.5 Vccменее чем за 130 mS (>57nF), происходит разрядка конденсатора и новая зарядка, но уже через резистор 3.3кОм. Если напряжение на конденсаторе не достигает 0.5 Vccза 1 секунду (>440µF),надпись "E2". Когда время замерено, происходит вычисление и отображение ёмкости. Последний сегмент отображает диапазон измерения (pF, nF, µF).

Зажим

В качестве зажима можно использовать часть какого-нибудь сокета. При измерении малых ёмкостей (единицы пикофарад) использование длинных проводов нежелательно.